10 kV整支避雷器雷电流残压特性试验研究

齐伟强，郭 卫，桂 媛，杨亚齐，钱梦迪，于文博

（1.国网北京电力公司，北京100031；2.武汉大学电气工程学院，武汉430072）

0 引言

配电网线路长度长，供电覆盖面大，主要以架空形式居多，绝缘水平低，雷电是引发配电线路故障的主要原因，10 kV配电避雷器因其氧化锌电阻良好的非线性特性保护特性，在配电网中被广泛使用[1]。然而配电避雷器种类繁多、安装数量大，配网避雷器损坏、劣化等引起的配电线路停电故障已经占到配网故障总数的相当比例，成为影响配网供电可靠性的主要因素之一。

国内外相应颁布了一些技术标准对避雷器或其比例单元、电阻片等进行检测，典型如国际电工委员会IEC 60099-4[2]，我国于2011年实施了GB 11032—2010《交流无间隙金属氧化物避雷器》，对交流无间隙金属氧化物避雷器的标准额定值、运行条件、技术要求及试验进行了规定[3]。雷电流冲击下的残压特性是描述避雷器过电压保护能力的重要参数。

近年来，研究人员针对氧化锌避雷器雷电流冲击特性的研究，往往是从比例单元的角度出发，开展了相关的特性研究[4-7]现行标准下针对氧化锌避雷器雷电流的残压特性实验和整只避雷器现场运行情况并不等效，通过比例单元残压特性实验测试的避雷器在现场运行中故障率仍然较高[8-10]。因而仅仅从比例单元去分析避雷器的雷电流冲击残压性能是不够的。本文从整只氧化锌避雷器的角度出发，针对配电避雷器的雷电流冲击残压特性设计开展试验。试验选取了五个厂家的试品进行8/20 μs的雷电流冲击实验，取得残压特性曲线的拟合曲线，检测在5 kA雷电流情况下对应残压水平是否符合标准，并对损坏的试品进行破坏性分析。

1 试品介绍与试验方法

根据试验研究需要，选定了五个常用的避雷器厂家生产的全新10 kV金属氧化物避雷器试品分别为：LW-1；HD-1；YNE-1；DZ-1；JG-1。上述五个厂家的避雷器试品型号均为：YH5WS1-17/5。上述五个厂家的避雷器试品，从比例单元的角度出发针对其雷电流残压性能检测均符合标准要求，均为现行标准下的合格产品。

表1 YH5WS1-17/5型避雷器的参数说明Table 1 Arrester parameter description of YH5WS1-17/5

试验在武汉大学高电压与绝缘技术试验大厅内展开，采用如图1所示的冲击电流发生器来产生所需的8/20 μs冲击电流波形，该发生器最高充电电压可达200 kV，因此能够对10 kV整支避雷器进行8/20 μs冲击电流试验。

表2 测试试品的直流参考电压和泄漏电流Table 2 The DC reference voltage and leakage current of different arrester

表3 测试试品单个阀片尺寸信息Table 3 Valve plate size information of different arrester

图1 冲击电流发生器实物图Fig.1 Impulse current generator picture

图2 试验原理图Fig.2 Test schematic diagram

试验回路接线及原理图如图2所示，该回路的基本原理是简单的RLC电路和电容器组C的充电电路，其中G为放电球隙，D为硅堆。工作时由调压器和充电变压器相互配合向电容器组C充电，在调好球隙距离之后，通过触发脉冲到球隙中，使球隙放电。于是电容器组C经过电阻、电感向试品放电，测试过程中采用Person线圈测量雷电流波形，电阻分压器同时测量的避雷器的残压，采用泰克DPO3012示波器记录整只氧化锌避雷器的雷电流冲击残压和电流波形。该发生器输出典型波形图如图3所示。

图3 测量得到典型8/20 μs电流和残压波形Fig.3 Typical waveform of 8/20 μs current and residual voltage

2 试验结果与分析

避雷器的残压是指放电电流通过避雷器时其端子间的最大电压峰值。残压是衡量避雷器保护性能的一个重要参数。避雷器的残压越低，那么它的保护性能越好，对于设备的绝缘保护越好。通常情况，测试避雷器的比例单元的雷电流大小1 kA，2.5 kA，5 kA，10 kA，为了更好的反应避雷器的残压特性曲线，在实验中选取多个充电电压等级，对试品施加不同的电压等级，测量其电流峰值和残压水平，得到雷电流电流峰值范围变化从1-15 kA的多组试验数据。每次冲击完成后，等待试品表面温度冷却到室温后再进行下一次冲击试验，完成单个避雷器试品的冲击测试后，记录避雷器的破坏情况，比较测量冲击前后的避雷器的1 mA直流参考电压和泄漏电流。整个测试过程依据GB/T11032-2011来进行。五个不同厂家试品雷电流冲击残压试验结果数据如表4至表8所示。

通过比较不同厂家试品的残压幅值可以发现，JG-1在雷电流达到10 kA时，其残压幅值小于50 kV（49.3 kV），LW-1在雷电流幅值达到7.7 kA时，其残压接近50 kV（49.9 kV），DZ-1在雷电流幅值达到10.4 kA时，其残压接近50 kV（50.1 kV），其残压性能优于其标称值（在标称放电电流5 kA的情况下，其雷电冲击残压小于50 kV），而YNE-1和HD-1两种试品在雷电流超过4.5 kA和2 kA时，其残压都超过50 kV，未能达到其标称值。

将不同厂家的残压与电流峰值进行拟合比较如图4所示，拟合优度均大于0.95，由拟合曲线可知，JG-1和DZ-1两个试品的残压水平最低，其次是LW-1，HD-1的残压水平最高，通过拟合曲线可以得出不同厂家试品在5 kA的雷电流的冲击下的冲击残压值如表-9所示，其中JG、DZ、LW等厂家的试品不超过标准中规定的残压值的要求，即≤50 kV。HD和YNE两个厂家的试品不符合标准中规定的残压值要求，其中HD的残压值高出标称值的20%。其在雷电流冲击特性耐受性能中也表现较差，在多次冲击实验的过程中，发生局部绝缘筒爆炸的情况。

JG、LW和DZ三个厂家的试品在雷电流峰值超过14kA的情况下外观都未发生明显损坏，而YNE和HD两个厂家的试品在试验过程中发生拉爆裂，其中YNE-1在8.5 kA左右发生爆裂损坏，而HD-1在5.5 kA左右下就发生拉损坏，如图5所示。

由表3给出的额不同厂家避雷器内部阀片尺寸信息可知，YNE和HD两个厂家的避雷器阀片直径相比于其它三个厂家要小，因此在阀片单位截面积吸收能量能力相同的情况下，阀片截面积小的避雷器其耐受冲击能量的能力要小，而厂家YNE和HD的避雷器在相同雷电流冲击条件下其残压水平明显过高，因此其在单位时间内，电压电流对时间的积分即能量值远高于其余三个厂家，因此其阀片承受的能量较大，超过其能量耐受值避雷器就会发生损坏，这就解释了YNE、HD两个厂家试品在试验雷电流下，会发生绝缘筒破碎的破坏性现象。

表4 JG-1的残压与电流峰值Table 4 Residual voltage and peak current of JG-1

表5 LW-1的残压与电流峰值Table 5 Residual voltage and peak current of LW-1

表7 YNE-1的残压与电流峰值Table 7 Residual voltage and peak current of YNE-1

表8 HD-1的残压与电流峰值Table 8 Residual voltage and peak current of HD-1

表9 不同厂家避雷器在5 kA雷电流冲击下的残压值Table 9 Residual voltage of different manufacturers’arrester in 5 kA impulse current

图4 五个厂家的残压电流峰值的拟合结果对比图Fig.4 The fitting results of residual voltage and peak current of five manufacturers test products

图5YNE和HD试验后状态图Fig.5 State diagram after YNE and HD test

表10 冲击实验前后直流参考电压和泄漏电流测试结果Table 10 Test results of DC reference voltage and leakage current before and after impulse test

对于试验结束后外观完好无破损的避雷器，进一步分析其试验前后的1 mA直流参考电压U1mA和泄漏电流，以此判断避雷器的内部性能是否受损失效。经检测，厂家JG、LW、DZ的避雷器试验后其U1mA电压和泄漏电流均表现正常，初步表示其内部阀片电气性能无损坏失效。

3 结论

通过对五个常用厂家的整只10 kV配电网氧化锌避雷器进行8/20 μs的雷电流冲击实验，获得整支避雷器的残压特性曲线，其中2个厂家整支避雷器的残压值超过限值要求，其余三个厂家的整支避雷器的残压值符合要求，残压值高的避雷器其耐受雷电流冲击能力弱，2个检测不合格的试品在雷电流达到8.5 kA和5.5 kA时发生爆炸，绝缘筒外套破损，而其余3个厂家的试品在雷电流超过14 kA时都能保持正常。

五个厂家的避雷器都能通过比例单元残压特性实验，但是通过整支避雷器的残压特性试验能够直观的发现其问题，因此测试针对整只避雷器的残压性能检测更符合现场运行的实际情况。应该加强对10 kV整只配电网氧化锌避雷器的雷电流残压检测防止检测不合格的产品投入电网运营危害电网安全。

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